热电偶

41Mi crocont rol lers & Emb edded Systems2003.9 新器件新技术 NEW PRODUCT & TECH 单片K型热电偶放大与数字转换器MAX6675 ■ 黑龙江八一农垦大学 李敏 孟臣 摘 要 关键词 MAX6675是Maxim公司推出的具有冷端补偿的单片K型热电偶放大器与数字转换器。文中介 绍器件的特点、工作原理及接口时序，并给出与单片机的接口电路及温度读取、转换程序。 热电偶放大器 冷端补偿 数字输出 热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简 单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度 高等特点。但是将热电偶应用在基于单片机的嵌入 式系统领域时，却存在着以下几方面的问题。① 非 线性：热电偶输出热电势与温度之间的关系为非 线性关系，因此在应用时必须进行线性化处理。② 冷端补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为 0℃ 时与测量端的电势差值，而在实际应用中冷端的温 度是随着环境温度而变化的 ,故需进行冷端补偿。 ③ 数字化输出：与嵌入式系统接口必然要采用数 字化输出及数字化接口，而作为模拟小信号测温元 件的热电偶显然无法直接满足这个要求。因此，若 将热电偶应用于嵌入式系统时，须进行复杂的信号 放大、A/D转换、查表线性化、温度补偿及数字化 输出接口等软硬件设计。如果能将上述的功能集成 到一个集成电路芯片中，即采用单芯片来完成信号 放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能，则将 大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计。 Maxim公司新近推出的MAX6675即是一个集成 了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及 SPI串 口的热电偶放大器与数字转换器。 1性能特点 MA X6675的主要特性如下： ① 简单的 SPI串行口温度值输出； ② 0℃~+1024℃的测温范围； ③ 12位 0.25℃的分辨率； ④ 片内冷端补偿； ⑤ 高阻抗差动输入； ⑥ 热电偶断线检测； ⑦ 单一 +5V的电源电压； ⑧ 低功耗特性； ⑨ 工作温度范围 -20℃~ +85℃； ⑩ 2000V的 ESD保护。 该器件采用 8 引脚SO贴片封装。 引脚排列如图 1所 示，引脚功能如表 1所列。 2工作原理 MAX6675的内部结构如图 2所示。该器件是一 复杂的单片热电偶数字转换器，内部具有信号调节 放大器、12位的模拟 /数字化热电偶转换器、冷端 补偿传感和校正、数字控制器、 1个 SPI兼容接口 和 1个相关的逻辑控制。 2.1温度变换 M A X 66 75 内部具有将热电偶信号转换为与 ADC输入通道兼容电压的信号调节放大器，T+和 T-输入端连接到低噪声放大器 A1，以保证检测输 入的高精度，同时使热电偶连接导线与干扰源隔 离。热电偶输出的热电势经低噪声放大器A1放大， 再经过 A2电压跟随器缓冲后，被送至 ADC的输入 端。在将温度电压值转换为相等价的温度值之前， 它需要对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即 1GND 2T- 3T+ 4VCC MAX6675 8 7 6 5 NC SO CS SCK 图1 MAX6675引脚排列 CS 表1 MAX6675引脚功能 引脚 名称 功 能 1 GND 接地端 2 T- K型热电偶负极 3 T+ K型热电偶正极 4 VCC 正电源端 5 SCK 串行时钟输入 6 CS 片选端， 为低时、启动串行接口 7 SO 串行数据输出 8 N.C. 空引脚 http://www.elecfans.com ????? http://bbs.elecfans.com ?????? 42 2003.9 新器件新技术 NEW PRODUCT & TECH 是 M AX6675周围温度与 0℃实际参考值之间的差 值。对于 K型热电偶，电压变化率为 41μV/℃，电 压可由线性公式 Vout=（41μV/℃）×（tR－ tAMB）来 近似热电偶的特性。上式中，Vout为热电偶输出电 压（mV）， tR是测量点温度；tAMB是周围温度。 2.2冷端补偿 热电偶的功能是检测热、冷两端温度的差值， 热电偶热节点温度可在 0℃～+1023.75℃范围变化。 冷端即安装 MAX6675的电路板周围温度，此温度 在 -20℃～+85℃范围内变化。当冷端温度波动时， MAX6675仍能精确检测热端的温度变化。 M AX6675是通过冷端补偿检测和校正周围温 度变化的。该器件可将周围温度通过内部的温度检 测二极管转换为温度补偿电压，为了产生实际热电 偶温度测量值，M AX6675从热电偶的输出和检测 二极管的输出测量电压。该器件内部电路将二极管 电压和热电偶电压送到 ADC中转换，以计算热电 偶的热端温度。当热电偶的冷端与芯片温度相等 时，MAX6675可获得最佳的测量精度。因此在实际 测温应用 时，应尽 量避免在 MA X6675 附近放置 发热器件或元件，因为这样会造 成冷端误差。 2.3热补偿 在测温应用中，芯片自热将 降低MAX6675温度测量精度，误 差大小依赖于 MAX6675封 装的热传导性、安装技术 和通风效果。为降低芯片 自热引起的测量误差，可 在布线时使用大面积接地 技术提高 MAX6675温度测 量精度。 2.4 噪声补偿 M AX6675的测量精度 对电源耦合噪声较敏感。 为降低电源噪声的影响， 可在 MAX6675的电源引脚 附近接入 1只 0.1μF陶瓷旁 路电容。 2.5测量精度的提高 热电偶系统的测量精度可通过以下预防 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 来 提高：① 尽量采用不能从测量区域散热的大截面 导线；② 如必须用小截面导线，则只能应用在测 量区域，并且在无温度变化率区域用扩展导线；③ 避免受能拉紧导线的机械挤压和振动；④ 当热电 偶距离较远时，应采用双绞线作热电偶连线；⑤ 在 温度额定值范围内使用热电偶导线；⑥ 避免急剧 温度变化；⑦ 在恶劣环境中，使用合适的保护套 以保护热电偶导线；⑧ 仅在低温和小变化率区域 使用扩展导线；⑨ 保持热电偶电阻的事件记录和 连续记录。 2.6 SPI串行接口 MAX6675采用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的SPI串行外设总线与MCU 接口，且MAX6675只能作为从设备。MAX6675 SO 端输出温度数据的 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 如图 3所示，MAX6675 SPI 接口时序如图 4所示。MAX6675从 SPI串行接口输 出数据的过程如下： MCU使 CS变低并提供时钟信 - + A2 20pF 1MO 300kO - + 30kO 30kO S2 S1 S3T+ 3 T- 2 30kO 参考电压 冷端补偿二极管 S5 S4 数字 控制器 ADC 5 7 6 SCK SO CS 1 VCC 0.1µf 4 A1 图2 MAX6675内部结构框图 D0D1D2D3D15 CS SCK SO 图4 MAX6675 SPI接口时序 位 空标 志位 12 位温度读 热电偶 输入 设备 身份 状态 位 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 MSB LSB 0 三态 图3 MAX6675 SO端输出数据的格式 http://www.elecfans.com ????? http://bbs.elecfans.com ?????? 43Mi crocont rol lers & Emb edded Systems2003.9 新器件新技术 NEW PRODUCT & TECH 号给 SCK，由SO读取测量结果。 CS变低将停止任何 转换过程； CS变高将启动一个新的转换过程。一个 完整串行接口读操作需 16个时钟周期，在时钟的 下降沿读 16个输出位，第 1位和第 15位是一伪标 志位，并总为 0；第 14位到第 3位为以 MSB到 LSB 顺序排列的转换温度值；第 2位平时为低，当热电 偶输入开放时为高，开放热电偶检测电路完全由 MAX6675实现，为开放热电偶检测器操作，T-必 须接地，并使接地点尽可能接近 GND脚；第 1位为 低以提供 MAX6675器件身份码，第 0位为三态。 3测温应用 下面给出 MA X6675应用于嵌入式系统的具体 方法。这里以 A T 8 9 C2 0 5 1 单片机为例，给出 MA X6675与单片机接口构成的测温电路及相应的 温度值读取、转换程序。 MAX6675为单片数字式热电偶放大器，其工作 时无需外接任何的外围元件，这里为降低电源耦合 噪声，在其电源引脚和接地端之间接入了 1只容量 为 0.1μF的电容。 MAX6675与AT89C2051单片机的接口电路如图 5所示。 由于 AT89C2051不具备 SPI总线接口，故这里 采用模拟 SPI总线的方法来实现与 M AX6675的接 口 。 其 中 P1.0模拟 SPI的数据输入端（MISO），P1.1 模拟 SPI的串行时钟输出端 SCK，P1.2模拟 SPI的从 机选择端 SSB。下面给出相应的温度值读取程序及 数据转换程序。 ；温度值读取程序 ；位定义 SO B I T P 1.0 ；数据输入 CS B I T P 1.1 ；从机选择 SCK B I T P 1.2 ；时钟 ；数据字节定义 DA TAH DATA 30H ；读取数据高位 DATAL DATA 31H ；读取数据低位 TDATAH DATA 32H ；温度高位 TD ATAL DATA 33H ；温度低位 ；读温度值子程序 READT： CLR CS ；停止转换并输出数据 CLR CLK ；时钟变低 M OV R2，#08H； READH： M OV C，SO RLC A ；读D15~D8高 8位数据 SETB CLK NOP CLR CLK DJNZ R2，READH M OV DATAH，A；将读取的高 8位数据 ；保存 M OV R2，#08H READL： M OV C，SO ；读D7~D0低 8位数据 RLC A SETB CLK NOP CLR CLK DJNZ R2，READL M OV DATAL，A；将读取的低 8位数据 ；保存 SETB CS ；启动另一次转换过程 RET ；数据转换子程序，将读得的 16位数据转换为 12位温度 值，去掉无用的位。 D16T12： M OV A，DATAL CLR C RLC A M OV D ATAL，A ； 数据整体右移1位， M OV A，DATAH；以去掉D15伪志位 RLC A SWAP A ；将DATAH中的数 ；据高低 4位互换 M OV B，A ；数据暂存于B中 M OV A，#0FH ；得到温度值的D11~D8位， ；并将D15~D12位置 0 M OV TDATAH，A；转换后的数据送 ；温度高位 图5 MAX6675与AT89C2051单片机接口电路 RESET XTAL1 XTAL2 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 C3 C2 30pF C1 30pF 11.0592MHz 10kO R1 VCC C4 10µF U1 AT89C2051 7 6 5 SO CS SCK SO T+ T- VCC GND C5 0.1µF 1 VCC 2 3 4 + U2 MAX6675 http://www.elecfans.com ????? http://bbs.elecfans.com ?????? 44 2003.9 新器件新技术 NEW PRODUCT & TECH M OV A，B ；取出温度值的D7~D4位 ANL A，#0F0H M OV B，A ；暂存B中 M OV A，DATAL ANL A，#0F0H ；取出温度值的D3~D0 SWAP，A ORL A，B ；合并成低位字节 M OV TDATAL，A ；转换后的数据送温 ；度高位 RET 结 语 MAX6675将热电偶测温应用时复杂的线性化、 冷端补偿及数字化输出等问题集中在一个芯片上解 决，简化了将热电偶测温 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 应用于嵌入式系统领 域时复杂的软硬件设计，因而该器件是将热电偶测 温方案应用于嵌入式系统领域的理想选择。 参考文献 1 方建淳，复东培. 带基准点补偿功能的热电偶放大 器AD594/AD595及其应用. 电子技术应用, 1994（5）:43~44 2 李希胜，王绍纯. 热电偶特性. 数字线性化新方案. 仪表技术与传感器，2000（3）：26~27 3 HTTP://WWW.M AXIM -IC.COM .CN /M AX5270- 739/M AX6675.pdf （收稿日期：2003-03-20） http://www.elecfans.com ????? http://bbs.elecfans.com ??????